基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路，包括：兩個結構完全對稱的光電探測器、一組級聯的差分限幅放大器、以及輸出緩沖級，還包括：差分結構調節型共射共基的跨阻放大器、以及一級共射級放大器；跨阻放大器包括：共射共基結構的放大器，尾電流源采用電阻和電容并聯方式；一級共射級放大器包括：共射級放大器，以及提高電路反向隔離度的簡并電阻和電容，并通過容性退化技術補償低頻極點；差分限幅放大器，將Cherry?Hooper結構中的電阻反饋改為有源反饋，并增加一個輸出負載電阻；輸出緩沖級用于將輸出阻抗轉換為50Ω標準阻抗，增強驅動能力。本發明研制出了性能優異的光接收機模擬前端電路。
【專利說明】
基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路
技術領域
[0001] 本發明涉及全差分光接收機領域，尤其涉及一種改進的高增益、高速率調節型共 射共基(RGC)結構的全差分光接收機模擬前端電路。
【背景技術】
[0002] 隨著物聯網、云計算及移動互聯網等大數據載體的崛起，信息傳輸量雪崩式地增 長，這使得電路板間、芯片間以及芯片內部的信息通信對帶寬提出更高的要求，也對數據中 心的網絡架構形成挑戰。然而，傳統的銅互連受"電子瓶頸"的限制，難以適應超高速的數據 傳輸和交換。與此相比，光互連以光子作為信息載體，具有損耗低、速度快和延遲小的優點， 且可采用波分復用(WDM)技術大幅提升互連帶寬密度，有效解決互連瓶頸，因而是未來互連 的必然趨勢。
[0003] 光通信系統通常由光發射機、信道和光接收機三部分組成。光接收機的主要作用 是把光纖傳輸的微弱光信號轉變為電信號，并經放大、均衡、定時及判決等過程，還原成與 發端信源一致的數據信息。光接收機前端作為完整光接收機的重要組成部分，其性能指標 直接決定著光接收機甚至整個通信系統的傳輸質量。
[0004] 雖然基于標準互補金屬氧化物半導體(CMOS)工藝實現的光接收機模擬前端電路 成本低、集成度高，但高頻性能較差。因此，科研人員開展相關研究改善其傳輸速率的局限。 例如，采用無源電感峰化技術、并聯雙反饋及先進工藝來優化光接收機電路性能，但這會增 加芯片面積和噪聲，降低增益，同時增加設計成本。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有技術的不足，研制性能優異的光接收機模擬前端電路。本發明基于 電容簡并型RGC結構、改進型Cherry-Hooper (1963年，E · Μ · Cherry和D · E · Hooper首次提出的 寬帶電路結構)結構限幅放大器技術，提出一種全差分結構的高速、高增益光接收機前端電 路，詳見下文描述：
[0006] -種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路，所述模擬前端電 路包括:兩個結構完全對稱的光電探測器、一組級聯的差分限幅放大器、以及輸出緩沖級，
[0007] 所述模擬前端電路還包括：差分結構調節型共射共基的跨阻放大器、以及一級共 射級放大器；
[0008] 所述跨阻放大器包括:共射共基結構的放大器，尾電流源采用電阻和電容并聯方 式；
[0009] 所述一級共射級放大器包括:共射級放大器，以及提高電路反向隔離度的簡并電 阻和電容，并通過容性退化技術補償低頻極點；
[00? 0]所述差分限幅放大器，將經典Cherry-Hooper結構中的電阻反饋改為有源反饋，并 增加一個輸出負載電阻，降低了輸出直流電平；
[0011]所述輸出緩沖級用于將輸出阻抗轉換為50 Ω標準阻抗，增強驅動能力。
[0012] 其中，所述光電探測器，用于將光纖輸入的微弱光信號轉換成一組相位相反的電 脈沖信號。
[0013] 進一步地，所述跨阻放大器的輸出端接一級射級跟隨器，用于提高輸出負載，降低 直流電平。
[0014] 進一步地，所述一級共射級放大器的輸出端級聯另一一級射級跟隨器，降低直流 電平。
[0015] 本發明提供的技術方案的有益效果是：
[0016] 1、在相同特征尺寸下，由于SiGe異質結晶體管（HBT)的截止頻率明顯高于M0S器 件，而且異質結晶體管的噪聲性能更好，所以本發明使用異質結晶體管設計的RGC跨阻放大 器的電路性能優于CMOS工藝。
[0017] 2、將全差分結構跨阻放大器的尾電流源替換為電阻結構，一方面避免電流源晶體 管工作在飽和區影響電路性能，另一方面也避免輸入端在高頻時可能出現的負阻態，保證 反射系數Sn不大于零。
[0018] 3、在替換傳統尾電流源的電阻兩端并聯一個電容，構成電容簡并結構，產生一個 與輸入端無關的零點，補償輸出端較低的極點。
[0019] 4、采用有源反饋替代傳統Cherry-Hooper結構中的電阻反饋，以拓展帶寬，同時在 輸出端與反饋間增加一個電阻，以提高單級增益，使得兩級級聯的限幅放大器即可滿足整 體增益要求。
[0020] 綜上所述，采用本發明提出的改進型RGC結構的全差分跨阻放大器和改進型 Cherry-Hooper限幅放大器，可實現一種基于標準鍺娃雙極-互補金屬氧化物半導體(SiGe BiCMOS)工藝的高速、高增益光接收機模擬前端電路。
【附圖說明】
[0021] 圖1給出了本發明所設計的光接收機模擬前端電路的結構框圖；
[0022] 圖2給出了改進型RGC結構跨阻放大器的電路原理圖；
[0023] 圖3給出了改進型RGC結構跨阻放大器的單邊小信號等效電路圖；
[0024]圖4給出了共射級放大器(CE-stage)的電路原理圖；
[0025]圖5是限幅放大器(Limiting Amplifier)的電路原理圖；
[0026]圖6是輸出緩沖級(Buffer)的電路原理圖；
[0027] 圖7是光接收機模擬前端電路幅頻響應曲線的仿真結果。
【具體實施方式】
[0028] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面對本發明實施方式作進一步 地詳細描述。
[0029] 發明人在解決【背景技術】中的問題時發現，由于異質結雙極晶體管(HBT)的高跨導、 低噪聲，以及優異的模擬電路特性，使得基于雙極工藝的光接收機受到廣泛關注，并得到迅 速發展。為此，本發明實施例基于SiGe BiCMOS標準工藝，設計了一款基于調節型共射共基 結構的全差分光接收機模擬前端電路。
[0030] 實施例1
[0031] 本發明實施例基于標準SiGe BiCMOS工藝，提出一種全差分光接收機模擬前端電 路，具體電路包括：
[0032] 兩個結構完全對稱的光電探測器，用于將光纖輸入的微弱光信號轉換成一組相位 相反的電脈沖信號；
[0033] -級差分結構的跨阻放大器(TIA)，用于將光電探測器的微弱電流信號轉化為電 壓信號，并對其進行放大。輸出端接一級射級跟隨器，用于提高輸出負載，降低直流電平。
[0034] -級共射級放大器(CE)，用于提高電路的反向隔離度，并通過容性退化技術補償 電路的低頻極點。輸出端級聯一級射級跟隨器，降低輸出直流電平。
[0035] -組級聯的差分限幅放大器(LA)，用于將跨阻放大器輸出的電壓信號放大到后端 數字處理單元可以判決的電壓水平。
[0036] 一級輸出緩沖級(Buffer)，用于將輸出阻抗轉換為50 Ω標準阻抗，增強電路的驅 動能力。
[0037] 為了抑制電源噪聲并達到高共模抑制比，本發明實施例采用全差分結構的跨阻放 大器，并將傳統差分電路的尾電流源替換為電阻和電容并聯方式。這不僅實現了差分電路 結構，消除了信號中的低頻共模噪聲，而且為給RGC結構的輔助放大器引入了容性退化技 術，拓展跨阻放大器的帶寬。
[0038] 在跨阻放大器和差分限幅放大器之間增加一級共射級放大器，通過對其發射極并 聯電阻和電容的調節，在電路中引入新的低頻零點和高頻極點。
[0039] 因限差分幅放大器(LA)需對信號進一步放大，但不能降低光接收機電路的整體帶 寬，所以本發明實施例將經典Cherry-Hooper結構中的電阻反饋改為有源反饋，并增加一個 輸出負載電阻，這不僅提高了限幅放大器的增益，而且降低了輸出直流電平，避免輸出端級 聯射級跟隨器。
[0040] 考慮到電壓放大器級聯會增加功耗，使帶寬變窄，所以本發明實施例僅用兩級差 分限幅放大器。
[0041] 其中，輸出緩沖級(Buffer)用于實現光接收機芯片與50 Ω負載阻抗的匹配，本發 明實施例采用電流型邏輯電路(CML)結構的緩沖級。
[0042]綜上所述，采用本發明實施例提出的改進型RGC結構的全差分跨阻放大器和改進 型Cherry-Hooper限幅放大器，可實現一種基于標準SiGe BiCMOS工藝的高速、高增益光接 收機模擬前端電路。
[0043] 實施例2
[0044] 下面結合圖2、圖3、圖4、圖5和圖6對實施例1中的高速、高增益光接收機前端模擬 電路進行詳細的介紹，詳見下文描述：
[0045] 圖2給出了差分結構調節型共射共基(RGC)跨阻放大器的一個優選實施例。該電路 主要包括:RGC放大器和替代傳統尾電流源的RC網絡，其作用是將光電探測器輸出的微弱信 號電流放大并轉換為電壓信號。
[0046] 跨阻放大器中除RC網絡（電阻RC與電容CC)外，電路左右完全對稱相同。探測器結電 容CPd的一端與輸入端、電阻R13、晶體管Τη的發射極及T12的基極相連，另一端接地；電阻R 13 的另一端接地;晶體管T12的集電極與Τη的基極和Rn的一端相連，發射極與電阻Rc的一端相 連;晶體管Τη的集電極與T 13的基極和電阻R12的一端相連；電阻RC與電容CC并聯，且一端接晶 體管τ12的發射極，另一端接地;電阻Rn的一端與晶體管Τη的基極和T12的集電極相連，另一 端接電源;Ru-端與晶體管Τ?3的基極和Τη的集電極相連，另一端接電源；晶體管Τ13的集電 極接電源，發射極與電阻Rm的一端相連;電阻R 14的另一端接地。
[0047]跨阻放大器的工作原理:小信號輸入電流11111±經晶體管Τη和T12轉換為電壓信號 并放大，再經Τ13管降低信號的直流電平后輸出。
[0048]圖3所示為改進型差分跨阻放大器的單邊小信號等效電路。理論分析可得，電路的 輸入阻抗為：
[0050] 其中，R* = Rc/(sCcRc+l)，s表示拉普拉斯變換。Gmii和GM12分別表示晶體管Τη和Τ12的 跨導。
[0051] 由于引入電阻Rc，低頻時的輸入阻抗Ζιη大于傳統RGC結構的輸入電阻，但隨著頻率 的增加，在簡并電容C C的作用下，浐將不斷減小，最終兩種結構的輸入阻抗達到一致。
[0052]若只考慮基極-集電極結電容Cu和基極-發射極結電容匕，忽略其它寄生參數，則電 路的單邊傳輸函數可表示為
[0059 ] 其中，Ci = Cpd+Cw，Cf = (：π11+〇μ12，Cm和Cul2分別為晶體管Τη和T12的基-集結電容， (：π11和&α2分別為晶體管Τη和Τ12的基-射結電容， P1為輸出極點，ρ2為輸入極點。
[0060] 由于輸出端阻抗與增益成正比，所以傳統電路的輸出阻抗一般比較大。本發明實 施例采用（2)式中的零點z i補償電路的輸出極點，將影響帶寬的主極點轉移到電路的輸入 端。由于RGC結構低的輸入阻抗，此時的輸入極點處于高頻處，因而帶寬得到擴展。因為電容 Cc不影響電路的直流特性，所以可通過改變容值大小調節零點位置。
[0061] 圖4給出了差分共射級電路的一個優選實施例。該差分共射級電路主要包括:共射 級放大器，以及提高電路反向隔離度的簡并電阻Re和電容C E。由于級間寄生電容的影響，直 接級聯的限幅放大器使電路帶寬顯著降低。因此，通過在晶體管T22的發射極接入并聯電容 和電阻，形成電容簡并結構，引入新的零點以補償級聯產生的極點，保證電路帶寬。
[0062] 共射級放大器電路為全差分結構，電路左右完全對稱相同。晶體管T22的基極接輸 入端，集電極與Τ21的基極和電阻R21的一端相連，發射極與電阻Re和電容Ce的一端相連;晶體 管T2i的集電極接電源，發射極與電阻R22的一端即輸出端相連;電阻Re與電容Ce并聯，且一端 接差分結構中一個晶體管T 22的發射極，另一端接另一個晶體管T22的發射極;電阻R21的一端 與晶體管T 21的基極和T22的集電極相連，另一端接電源;電阻R22的一端與晶體管T 21的發射極 和輸出端相連，另一端接地;電流源Is的一端接晶體管T22的發射極，另一端接地。
[0063] 在差分共射級放大電路中，晶體管Τ22放大信號Vin2±，電阻Re和電容Ce通過電容簡 并方式提高電路的帶寬，晶體管T 21降低輸出電壓的直流電平。由于異質結晶體管的反向隔 離度較低，若直接將TIA和LA直接相連，則不利于TIA的輸入阻抗匹配，且其輸出阻抗也會影 響LA輸入級的性能。因此，使用共射級放大器在優化級間寄生電容的同時，也提高了電路的 反向隔離度。
[0064] 圖5給出了差分限幅放大器的一個優選實施例。該結構包括一級主放大器T31和一 級帶有源反饋的放大器。主放大器T 31為限幅放大器提供增益，而有源反饋放大器降低節點A 和B處的信號電阻，提高電路的極點頻率。
[0065] 限幅放大器電路為全差分結構，電路左右完全對稱相同。晶體管T31的基極接輸入 端，集電極與晶體管T32的基極和T33的發射極相連，發射極接晶體管T35的集電極;晶體管T32 的基極與T31的集電極和T 33發射極相連，集電極接電阻R32的一端，發射極接晶體管T34的集電 極；晶體管T 33的基極接電阻R3dPR32的一端，集電極接電源，發射極與晶體管T31的集電極和 τ 32的基極相連;晶體管T34的集電極接T32的發射極，基極接直流偏置Vbias，發射極接地;晶體 管T35的集電極接T 31的發射極，基極接直流偏置Vbias，發射極接地；電阻R31的一端接電源，另 一端與晶體管T33的基極和電阻R32的一端相連;電阻R32的另一端接晶體管T32的集電極;輸出 端與晶體管T32的集電極相連。
[0066]當輸入信號Vin3±經過晶體管T31差分放大后，晶體管T32對其進一步放大，晶體管T 33 將晶體管Τ32放大后的信號反饋到晶體管Τ32的輸入端，節點Α和節點Β間的信號電阻近乎為 零。
[0067]本發明實施例首先將Cherry-Hooper經典結構中的電阻反饋變換為有源負反饋 (晶體管T33)。這不僅提高了電路的穩定性，而且也減小了節點A和節點B間的信號電阻。其 次，在輸出端和節點A間引入電阻R 32，在不影響負反饋信號的同時，提高了增益，降低了輸出 端的直流電平，實現限幅放大器的直接級聯。改進后的單級增益表示為 [0068] Ach = gM3i (R31+R32) (7)
[0069] 其中，gM3i為T33管的跨導。由（7)式可知，改進Cherry-Hooper放大器的增益基本與 負反饋通路無關，而引入的電阻R32則提高了增益。
[0070]圖6給出了輸出緩沖級(Output buffer)的一個優選實施例。緩沖級采用最常用的 電流型邏輯電路(CML)結構，保證輸出端實現50 Ω阻抗匹配。
[0071 ]輸出緩沖級為全差分結構，電路左右完全對稱相同。晶體管T41的基極接輸入端，集 電極接電阻R41的一端，發射極接晶體管T42的集電極；晶體管T42的基極接直流偏置Vbias，集 電極接T41的發射極，而發射極接地;電阻R41的一端接電源，另一端接T41的集電極;輸出端從 晶體管T41的集電極引出。
[0072] 輸入信號Vin4±g驅動管T41和負載電阻R41實現具有50Ω阻抗匹配的輸出端信號 ν〇4±。由于異質結晶體管的跨導高，輸入電阻較大，所以無需大的器件尺寸即可保證前端電 路的增益。因此，不會引入較大的寄生電容，而降低電路極點。
[0073] 綜上所述，采用本發明實施例提出的改進型RGC結構的全差分跨阻放大器和改進 型Cherry-Hooper限幅放大器，可實現一種基于標準SiGe BiCMOS工藝的高速、高增益光接 收機模擬前端電路。
[0074] 實施例3
[0075] 下面結合圖7對實施例1和2中的高速、高增益光接收機模擬前端電路進行可行性 驗證，詳見下文描述：
[0076] 圖7為高速、高增益光接收機前端模擬電路的幅頻曲線響應。實驗過程為本領域技 術人員所公知，本發明實施例對此不做贅述。
[0077] 仿真結果表明，電路的總跨阻增益為113dB Ω，-3dB帶寬為17.2GHz，驗證了該模擬 電前端路的可行性，滿足了實際應用中的多種需要。
[0078] 本發明實施例對各器件的型號除做特殊說明的以外，其他器件的型號不做限制， 只要能完成上述功能的器件均可。
[0079] 本領域技術人員可以理解附圖只是一個優選實施例的示意圖，上述本發明實施例 序號僅僅為了描述，不代表實施例的優劣。
[0080] 以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電路，所述模擬前端電路 包括:兩個結構完全對稱的光電探測器、一組級聯的差分限幅放大器、以及輸出緩沖級，其 特征在于， 所述模擬前端電路還包括:差分結構調節型共射共基的跨阻放大器、以及一級共射級 放大器； 所述跨阻放大器包括:共射共基結構的放大器，尾電流源采用電阻和電容并聯方式； 所述一級共射級放大器包括:共射級放大器，以及提高電路反向隔離度的簡并電阻和 電容，并通過容性退化技術補償低頻極點； 所述差分限幅放大器，將經典Cherry-Hooper結構中的電阻反饋改為有源反饋，并增加 一個輸出負載電阻，降低了輸出直流電平； 所述輸出緩沖級用于將輸出阻抗轉換為50 Ω標準阻抗，增強驅動能力。2. 根據權利要求1所述的一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電 路，其特征在于， 所述光電探測器，用于將光纖輸入的微弱光信號轉換成一組相位相反的電脈沖信號。3. 根據權利要求1所述的一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電 路，其特征在于， 所述跨阻放大器的輸出端接一級射級跟隨器，用于提高輸出負載，降低直流電平。4. 根據權利要求1所述的一種基于調節型共射共基結構的全差分光接收機模擬前端電 路，其特征在于， 所述一級共射級放大器的輸出端級聯另一一級射級跟隨器，降低直流電平。
【文檔編號】H04B10/60GK106027159SQ201610526243
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】謝生, 吳思聰, 毛陸虹, 高謙
【申請人】天津大學